相位噪声的起源

相位噪声的起源

微波管的相位噪声在其诞生之初就为人们所注意，但在很长时间内都没有很清晰的阐释，不过大多数研究都认为与电子束的脉动起伏有关。离子噪声的重要特点是频率很低，一般在几兆赫兹，有时可达到低声频以至超低声，这样低的频率是无法由微波谐振电路产生的，也远低于管子内的任何等离子体振荡频率，近似于张驰振荡。

具体的物理过程大致如下：电子束由于非平衡的布里渊聚焦而产生了沿轴向的脉动，由于空间电荷效应，在轴线产生了静电势阱。由电子束碰撞产生的正离子被俘获在势阱中，当填充到一定程度，电子束聚焦状况会发生变化，势阱向阴极移动，离子随之被释放，打在阴极上，这一过程周期性地反复进行。在离子被俘获、逃逸、再俘获的过程中，沿轴线静电势阱要相应发生变化，使电子束的轴向速度改变，再与高频场相互作用，形成输出信号的噪声。

速调管与行波管作为大功率微波真空器件，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥感等领域。但是和所有真空器件一样，管子不可能处于绝对的真空中，总是带有少量的残余气体。电子束碰撞电离这些背景气体，会产生正离子，其空间电荷效应会改变电子束的状态，进而影响到电子束与波的互作用，使信号产生振幅与相位(特别是相位)的周期性扰动，这种扰动被称为离子噪声，有时也称为相位噪声[1]。
随着通信技术与探测技术的进步，对信号源稳定性的要求也相应提高,微波管的相位噪声研究已成为高功率微波领域的研究热点。许多文献对由离子张驰振荡引发的相位噪声做了详细的研究[1～4]，但大多数的研究集中于离子噪声的物理机理，特别是离子的产生、运动及其对电子束的影响。而对波本身特别是低频噪声调制到高频信号的过程的研究还远不完善。本文基于小信号近似，从波动理论与运动学理论出发，分别研究了离子振荡对行波管与速调管的输出信号的影响，并分析了输出信号的频谱特性与相位特性。